2007

10.Для решения каких горнотехнических задач используется показатель крепости горных пород?

8 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

8.1 Общие сведения

Электрические свойства горных пород широко используются при разрушении пород электрическими способами, при разведке и обогащении полезных ископаемых, прогнозировании и контроле за состоянием массивов до начала и во время ведения горно-строительных и эксплуатационных работ. На использовании электрических свойств пород и склонности их к внезапным выбросам и горным ударам, основаны методы контроля за состоянием полезных ископаемых и другие. Поэтому знания электрических свойств горных пород и факторов, влияющих на них, имеют важное научное и практическое значение.

В любой горной породе имеются свободные и связанные электрические заряды. Это обусловлено тем, что породы содержат минералы, обладающие свойствами как проводников, так и диэлектриков. Подавляющее большинство пород является диэлектриками. При внесении породы в электрическое поле в ней происходит смещение внутренних зарядов. В результате на ее поверхности появляются неуравновешенные (связанные) заряды. Это явление носит название поляризации породы. Поляризация приводит к появлению в породе собственного электрического поля (поля поляризационных зарядов). Последнее направлено против внешнего поля и ослабляет его.

Свойство определенных кристаллических пород проявлять электрическую поляризацию под действием механических напряжений или деформаций называется пьезоэлектрическим эффектом (пьезоэлектрическим модулем).

Количественной характеристикой пьезоэлектрического эффекта служит пьезоэлектрический модуль (ζ), равный отношению вектора интенсивности поляризации (Р) к механическому напряжению (σ):

41

Удельное электрическое сопротивление горных пород определяется из следующего выражения:

где R – сопротивление горной породы, Ом;

S – поперечное сечение образца горной породы, м2; l – длина образца, м.

Закономерности изменения электрического удельного сопротивления горных пород от внешних (влажности, давления, температуры окружающей среды) находят применение в различных электротермических методах оценки напряженного состояния и степени нарушенности массива горных пород. С помощью электрозондирования определяют нарушенность целиков и кровли подземных выработок и осуществляют прогноз напряженнодеформированного состояния массива пород. Отсутствие сложной аппаратуры, легкость снятия замеров и их передачи на значительные расстояния позволяют на основе электрометрии разработать систему контроля устойчивости элементов подземных горных выработок, целиков, массивов, карьерных уступов [1].

Зависимость электросопротивления от температуры для ионных соединений выражается формулой:

где В – сопротивление горной породы при τ → ∞, Ом м;

Q– ширина запрещенной зоны данной горной породы, Дж;

К– постоянная Больцмана, К =1,38 10-23 Дж/град;

Т– абсолютная температура, 0К;

е – основание натуральных логарифмов.

Зная зависимость сопротивления от температуры, т.е. ρ = f ( t ), можно определить В и Q . Для чего прологарифмируем

формулу (8.3).

42

прямой на оси lnс, KQ численно равно тангенсу угла наклона к оси T1 (с учетом масштаба).

8.2 Порядок выполнения работы

Необходимые приборы и оборудование: мегаомметр; муфельная печь; термопара ХА; образец горной породы размером 10×10×10 мм и зажим для образца горной породы.

Образец горной породы зажимается болтом 3 между двумя контактными пластинами 6 (рисунок 8.2).

Корпус зажима монтируется на асбоцементной плите 12, установленной на ножках 11. Для соединения образца с мегаоммет-

43

ром служат медные проводники диаметром 2 мм. Муфельная печь МП-10, предназначенная для нагрева исследуемого образца, питается от сети переменного тока.

Для измерения сопротивления образца служит мегаомметр. Температура образца фиксируется хромель-алюмелевой термопарой 4.

Последовательность выполнения работы следующая:

1.Образец измеряется и зажимается между контактными пластинами.

2.Контактные пластины соединяются с мегаомметром.

3.Устанавливается переключатель пределов измерения мегаомметра в требуемое положение.

4.Производится вращение ручки мегаомметра, при этом берется отсчет – это и будет искомое сопротивление.

5.Включается нагревательная печь.

6.Через промежутки времен, равные 5-10 мин. или по показаниям температуры (через 50 – 100 0 С) производятся отсчеты измеряемых величин (температуры, полного сопротивления).

7.Температура в печи повышается на 500-600 0С, затем печь выключается.

8.По результатам рассчитывается удельное электрическое сопротивление, по формуле (8.5) при определенной температуре

где R – полное сопротивление, Ом;

S – площадь сечения, м2;

l− длина образца, м.

9.Результаты сводятся в таблицу по нижеприведенной форме (таблица 8.1):

10.Строится график зависимости сопротивления от температуры, т.е. ρ = f (Т ), (рисунок 8.3) и производится анализ зави-

симости.

44

11.Строится графическая зависимость lnс =f(T1 ) (рисунок

8.3) и с помощью этого графика определяется величина сопротивления породы В и ширина запрещенной зоны Q .

12. Вывод по работе оформить в письменном виде.

Рисунок 8.3 – Графическая зависимость ln ρ от Т0, К

Контрольные вопросы

1.Для чего применяется метод измерения электрического сопротивления горных пород?

2.В чем достоинство метода электрического зондирования горных пород?

3.Как зависит электрическое сопротивление горных пород от температуры?

4.В чем заключается порядок выполнения эксперимента:

−приборы и оборудование;

−порядок снятия отсчетов;

−расчет удельного электрического сопротивления и построение графика зависимости его от температуры;

46

− построение графической зависимости для расчета величины сопротивления горной породы при Т → ∞ и ширины запрещенной зоны (для горных пород диэлектриков и полупроводников)?

5. Какие выводы можно сделать по работе?

9 ИССЛЕДОВАНИЕ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПРОДОЛЬНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ВОЛН В ОБРАЗЦАХ ГОРНОЙ ПОРОДЫ

9.1 Общие сведения

При изучении процессов, происходящих в горных породах, немаловажное значение имеет установление характера происхождения упругих колебаний в среде, подверженной напряжению.

Упругие модули горных пород измеряются двумя методами: статическими и динамическими [1].

Статический метод применяется для определения модуля Юнга при одноосном сжатии, растяжении. Измерение упругих параметров сводится к непосредственному измерению деформаций сжимаемых образцом тензометрами.

При геофизических исследованиях наиболее широко применяют динамический метод. С помощью динамического метода измеряют различные виды упругих волн в веществе и их затухание.

Скорость упругих продольных волн определяют по первому вступлению импульсной ультразвуковой волны при прозвучивании образца с торцов с помощью датчиков. При профилировании излучатель прижимается к одному из торцов образца, а приемник перемещается по его грани (рисунок 9.1).

9.2 Методика проведения эксперимента

Для проведения работ, требующих повышенной точности регистрации времени прохождения импульса через образец горной породы, используют специальную установку Бетон-3М. Прибор позволяет измерить скорость распространения продольных

47

ультразвуковых волн в исследуемом материале, величина которой зависит от упругих характеристик и плотности материала.

1 – излучатель и приемник; 2 − горная порода.

Рисунок 9.1 – Схема расположения пьезометров при изменении скоростей упругих волн и поглощении способами многократных отражений (а), дискретных колебаний (б), просвечива-

ния с одного пикета (в) и просвечивания под углом (г).

Конструкция прибора. Прибор включает в себя следующие блоки:

–электронный блок;

–излучатель;

–приемник.

Электронный блок заключен в кожух. На передней панели приемного блока расположены:

–индикаторная лампа включения прибора;

–индикаторная лампа автоматического сигнализатора времени распространения;

–переключатель дискретного отсчета «Х10»;

–переключатель дискретного отсчета «Х1»;

48

–переключатель дискретного отсчета «Х0,1»;

–тумблер, задержка;

–переключатель «коррекция»;

–тумблер «+200»;

–разъем «вход» «У» осциллографа;

–разъем «излучатель»;

–разъем «приемник»;

На задней стенке кожуха расположен предохранитель и разъем подключения сетевого шнура, а на передней − тумблер включения «сеть».

Подготовка прибора к работе:

−подсоединить к прибору, в соответствии с разъемами, кабели излучателя и приемника;

−переключатели дискретно-цифрового отсчета «Х10», «X1», «Х0,1» установить в верхнее положение, тумблер «задержка» в выключенное положение;

−подключить сетевой шнур и включить сеть, поставить тумблер питания в верхнее положение;

смазать торцы датчиков техническим вазелином и прижать их друг к другу. Через 3−10 с должен начать работать излучатель, что сопровождается появлением характерного звука частотой 1520 Гц. При этом должна загореться индикаторная лампа АСВР;

−придерживая пальцами торцы датчика прибора, раздвинуть их. Индикаторная лампочка должна гореть, пока расстояние между торцами датчиков будет менее 60-80 мм. При дальнейшем увеличении расстояния между торцами датчиков, лампа АСВР должна погаснуть.

Порядок выполнения работы:

−подготовить образцы горной породы. Замерить размеры;

−прижать торцы датчиков к исследуемому образцу, обеспечить надежный акустический контакт. При этом необходимо обратить внимание, чтобы торцевые поверхности датчиков были чистыми и смазаны вазелином;

−установить тумблер «+200» в верхнее положение. Если при этом загорается индикаторная лампа АСВР, тумблер «+200» возвращается в нижнее положение, если не загорается лампа АСВР, тумблер остается в верхнем положении.

49

Переключатель дискретного отсчета «Х10» поворачивают по часовой стрелке до момента загорания индикаторной лампы АСВР. При загорании индикаторной лампы ручку с множителем «Х10» повернуть против часовой стрелки на одно положение. Лампа должна погаснуть.

Переключатель дискретного отсчета «X1» поворачивается по часовой стрелке до момента загорания индикаторной лампы АСВР. При загорании индикаторной лампы ручку поворачивают против часовой стрелки на одно положение, лампа должна погаснуть.

Переключатель дискретного отсчета «Х0,1» вращают по часовой стрелке до момента загорания индикаторной лампы АСВР. На этом измерения заканчиваются.

Снимается отсчет показаний тумблера и переключателей дискретного отсчета.

Пример: Тумблер «+200» в нижнем положении – 0; ручка с множителем «Х10» показывает 12; ручка с множителем «X1» показывает 14; ручка с множителем «Х0,1» показывает 8.

Отсчет: 12 10 +14 1 + 8 0,1 =134,8 мксек

По данным измерения базы и времени распространения ультразвука вычисляют скорость импульсов по формуле:

где L – база прозвучивания , см;

t – время прохождения ультразвука через испытуемый материал, мкс.

Эксперимент проводится на образцах одной и той же горной породы. Необходимо исследовать ненарушенные (монолитные). горные породы и породы, нарушенные искусственными трещинами.

Скорости прохождения ультразвуковой волны через горную породу, находящуюся в разных физических состояниях, сравнить и сделать вывод.

Рассчитать модуль Юнга по формуле:

где ρ – плотность исследуемой горной породы, кг/м3.

50